(57)【要約】  プロセストランスミッタ（１００）は、隔離ユニット（１０４）と、プロセスセンサ（１０６）と、補償回路（１０８）と、出力回路（１１０）とを含む。隔離ユニット（１０４）は、プロセスと接触するように構成され、且つ媒体（１１１）を含む。プロセスセンサ（１０６）は、媒体（１１１）を介して伝達された前記プロセスのパラメータの関数であるプロセス信号を生成するように構成される。補償回路（１０８）は、前記プロセス信号を隔離ユニット（１０４）の応答時間について補償し、補償されたプロセス信号を出力するように構成される。出力回路（１１０）は、前記補償されたプロセス信号の関数としてトランスミッタ出力を生成するように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスと接触するように構成された、且つ媒体を含む、隔離ユニットと、
前記媒体を介して伝達された前記プロセスのパラメータの関数であるプロセス信号を生成するように構成された、プロセスセンサ、
前記隔離ユニットの応答時間について前記プロセス信号を補償し、補償されたプロセス信号を出力するように構成された、補償回路、及び
前記補償されたプロセス信号の関数としてトランスミッタ出力を生成するように構成された、出力回路、
を含むプロセストランスミッタ。
【請求項２】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、前記媒体の温度に依存する、請求項１に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項３】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、前記プロセスによって前記隔離ユニットに印加される圧力に依存する、請求項２に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項４】
前記パラメータは圧力である、請求項２に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項５】
前記隔離ユニットは、
ハウジングと、
前記ハウジング内の充填管と、
前記充填管の第１の端をシールするダイヤフラムと、
を含み、
前記媒体は、前記充填管内の流体を含み、
前記プロセスセンサは、前記充填管の第２の端における圧力センサを含む、
請求項１に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項６】
前記プロセストランスミッタは、前記流体の温度の関数として温度信号を生成するように構成された温度センサをさらに含み、
前記補償回路は前記温度信号に基づいて前記プロセス信号を補償する、
請求項５に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項７】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、前記流体の粘性率に依存し、
前記補償回路は、温度出力に基づいて前記流体の前記粘性率を推定し、推定された粘性率に基づいて前記プロセス信号を補償する、
請求項６に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項８】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、前記ダイヤフラムの剛性に依存し、
前記補償回路は、前記ダイヤフラムの前記剛性に基づいて前記プロセス信号を補償する、
請求項６に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項９】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、前記プロセスセンサの感知要素の剛性に依存し、
前記補償回路は、前記感知要素の前記剛性に基づいて前記プロセス信号を補償する、
請求項８に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１０】
前記プロセスセンサによって生成された前記プロセス信号を、デジタルプロセス信号であってデジタル形態での前記補償されたプロセス信号を生成するために前記補償回路のプロセッサによって補償される、デジタルプロセス信号に変換するように構成された、アナログ−デジタル変換器、及び
前記補償されたプロセス信号をアナログの補償されたプロセス信号に変換するように構成された、デジタル−アナログ変換器、
をさらに含み、
前記出力回路は、前記アナログの補償されたプロセス信号の関数として前記トランスミッタ出力を生成するように構成された、
請求項１に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１１】
隔離ユニットであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内の第１の充填管であって第１の端及び第２の端を有する第１の充填管と、
前記第１の充填管の前記第１の端をシールする第１のダイヤフラムであってプロセスと接触するように構成された第１のダイヤフラムと、
前記第１の充填管内の流体と、
を含む隔離ユニット、
前記第１の充填管の前記第２の端における圧力センサであって、前記第１の充填管内の前記流体を介して伝達された圧力の関数であるプロセス信号を生成するように構成された、圧力センサ、
前記プロセス信号をデジタルプロセス信号に変換するように構成された、アナログ−デジタル変換器、
前記隔離ユニットの応答時間について前記デジタルプロセス信号を補償し、デジタルの補償されたプロセス信号を出力するように構成された、補償回路、
前記デジタルの補償されたプロセス信号をアナログの補償されたプロセス信号に変換するように構成された、デジタル−アナログ変換器、及び
前記アナログの補償されたプロセス信号の関数としてトランスミッタ出力を生成するように構成された、出力回路、
を含むプロセストランスミッタ。
【請求項１２】
前記プロセストランスミッタは、前記流体の温度の関数として温度信号を生成するように構成された温度センサをさらに含み、
前記補償回路は前記温度信号に基づいて前記デジタルプロセス信号を補償する、
請求項１１に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１３】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、前記流体の粘性率に依存し、
前記補償回路は、温度出力に基づいて前記流体の前記粘性率を推定し、推定された粘性率に基づいて前記デジタルプロセス信号を補償する、
請求項１２に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１４】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、前記第１のダイヤフラムの剛性に依存し、
前記補償回路は、前記ダイヤフラムの前記剛性に基づいて前記デジタルプロセス信号を補償する、
請求項１２に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１５】
前記隔離ユニットの前記応答時間は、プロセスセンサの感知要素の剛性に依存し、
前記補償回路は、前記感知要素の前記剛性に基づいて前記デジタルプロセス信号を補償する、
請求項１４に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１６】
前記隔離ユニットは、
前記ハウジング内の第２の充填管であって第１の端及び第２の端を有する第２の充填管と、
前記第２の充填管の前記第１の端をシールする第２のダイヤフラムであって前記プロセスと接触するように構成された第２のダイヤフラムと、
前記第２の充填管内の流体と、
を含み、
前記圧力センサは、前記第１の充填管内の前記流体を介して伝達された前記圧力と、前記第２の充填管内の前記流体を介して伝達された圧力との間の差の関数として前記プロセス信号を生成するように構成された、
請求項１２に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１７】
前記プロセストランスミッタは、前記第１の充填管及び前記第２の充填管のうちの少なくも１つの中の前記流体の温度の関数として温度信号を生成するように構成された温度センサをさらに含み、
前記補償回路は前記温度信号に基づいて前記デジタルプロセス信号を補償する、
請求項１６に記載のプロセストランスミッタ。
【請求項１８】
プロセストランスミッタ出力を生成する方法であって、
プロセストランスミッタの隔離ユニットの媒体を介して伝達されたプロセスのパラメータの関数であるプロセス信号を、プロセスセンサを使用して生成すること、
補償回路を使用して、前記プロセス信号を前記隔離ユニットの応答時間について補償し、補償されたプロセス信号を生成すること、及び
出力回路を使用して、前記補償されたプロセス信号の関数として前記プロセストランスミッタ出力を生成すること、
を含む、方法。
【請求項１９】
温度センサを使用して、前記媒体の温度の関数として温度信号を生成すること、及び
前記プロセス信号を前記隔離ユニットの前記応答時間について補償することは、前記温度信号を使用して前記プロセス信号を補償することを含む、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記隔離ユニットは、
ハウジングと、
前記ハウジング内の充填管と、
前記充填管の第１の端をシールするダイヤフラムと、
を含み、
前記媒体は、前記充填管内の流体を含み、
前記プロセスセンサは、前記充填管の第２の端における圧力センサを含み、
プロセス信号を生成することは、前記充填管内の前記流体を介して前記圧力センサに伝達された圧力の関数として前記プロセス信号を生成することを含む、
請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、工業プロセスなどのプロセスのパラメータの、プロセスセンサを使用した測定に関する。特に、本開示の実施形態は、プロセスセンサによって実行されるプロセス測定を、隔離ユニットであってそれを介して前記プロセスセンサにパラメータが伝達される隔離ユニットの時定数について補償することに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのタイプの材料の製造及び輸送のために工業プロセスが使用されている。そのようなシステムでは、多くの場合、プロセス内の様々なパラメータを測定する必要がある。１つのそのようなパラメータは、例えば差圧などの圧力である。差圧は、プロセス内の１つの点と前記プロセス内の別の点との間の圧力差である。そのような差圧の測定は、プロセスの管内でのプロセス流体の流量を判定することにおいて、又はコンテナ内でのプロセス流体の高さを測定するために、又は別のプロセスパラメータ測定値を提供するために有用であり得る。
【０００３】
工業プロセスでは、圧力センサなどのプロセスセンサが一般に、プロセストランスミッタ内に含まれているか又はプロセストランスミッタに連結されている。プロセストランスミッタは通常、遠隔位置に位置しており、プロセス測定関連情報を制御室などの中央位置に送信する。この送信はプロセス制御ループを介して行われることが多い。例えば、２本の線を使用して情報及び電力の両方を前記トランスミッタに搬送する２線プロセス制御ループがしばしば使用される。無線プロセス制御ループが使用される場合もある。
【０００４】
圧力トランスミッタなどのプロセストランスミッタは一般に、測定されるプロセスからプロセスセンサを分離する隔離ユニットを含む。これによりプロセスセンサは、例えば、センサを損傷する可能性がある且つ／又はプロセスパラメータの測定に悪影響を及ぼす可能性があるプロセス条件から保護される。
【０００５】
そのような隔離ユニットは、使用される媒体、前記隔離ユニットの構造、及び場合によってはその他の要因に起因して、プロセスパラメータの測定に遅延を導入する。そのような遅延は、プロセスセンサによるプロセスパラメータ測定の応答時間に直接影響を及ぼす。さらに、遅延は、プロセストランスミッタの動作条件に応じて変化する。結果として、制御システムの設計者は、プロセストランスミッタの最悪ケースの応答のためにシステムを設計又は調整しなければならない。これは非効率なプロセスをもたらす場合があり、それにより制御下のプロセスの収益性が損なわれる可能性がある。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の実施形態は、隔離ユニットであってそれを介してプロセスパラメータが伝達される隔離ユニットの時定数についてプロセス信号を補償する、プロセストランスミッタ及び方法に関する。前記プロセストランスミッタのいくつかの実施形態は、隔離ユニットと、プロセスセンサと、補償回路と、出力回路とを含む。前記隔離ユニットは、プロセスと接触するように構成され、且つ媒体を含む。前記プロセスセンサは、前記媒体を介して伝達された前記プロセスのパラメータの関数であるプロセス信号を生成するように構成される。前記補償回路は、前記プロセス信号を前記隔離ユニットの応答時間について補償し、補償されたプロセス信号を出力するように構成される。前記出力回路は、前記補償されたプロセス信号の関数としてトランスミッタ出力を生成するように構成される。
【０００７】
前記方法のいくつかの態様は、プロセストランスミッタ出力を生成する方法を含む。いくつかの実施形態では、プロセストランスミッタの隔離ユニットの媒体を介して伝達されたプロセスのパラメータの関数であるプロセス信号が、プロセスセンサを使用して生成される。補償回路を使用して、前記プロセス信号は前記隔離ユニットの応答時間について補償され、補償されたプロセス信号が生成される。前記プロセストランスミッタ出力は、出力回路を使用して、前記補償されたプロセス信号の関数として生成される。
【０００８】
この概要は、詳細な説明において以下にさらに説明する概念の抜粋を簡略化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求の範囲に記載の主題の重要な特徴又は本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求の範囲に記載の主題の範囲を決定することにおける補助として使用されることを意図するものでもない。特許請求の範囲に記載の主題は、背景技術に記載されたいずれかの又は全ての欠点を解決する実装に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】プロセスと相互作用している、本開示の１又は複数の実施形態に従って形成されたプロセストランスミッタの簡略化されたブロック図である。
【図２】本開示の実施形態によるプロセス測定システムの簡略化されたブロック図である。
【図３】本開示の実施形態による、例示的隔離ユニットの断面図を有する例示的圧力トランスミッタの簡略化された側面図である。
【図４】２つの異なる隔離された圧力センサのステップ応答に対する、隔離ユニットの剛性変化の影響を示すチャートである。
【図５】図４のチャートを生成するために使用された圧力センサのステップ応答に影響を及ぼすことにおいて温度が果たす役割を示すチャートである。
【図６】例示的流体媒体の粘性率における、温度にわたる変化を示すチャートである。
【図７】本開示の実施形態によるプロセストランスミッタの一部の簡略化されたブロック図である。
【図８】本開示の実施形態による例示的なプロセス信号及び補償された信号を示すチャートである。
【図９】本開示の実施形態による例示的なプロセス信号及び補償された信号を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施形態について添付の図面を参照して以下でより十分に説明する。同じ又は類似した参照文字を使用して識別される要素は、同じ又は類似した要素を意味する。しかし本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書中に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろそれらの実施形態は、本開示が徹底的且つ完全なものとなるように、及び本開示の範囲を当業者に十分に伝えるようにするために提供される。
【００１１】
実施形態の徹底的な理解を提供するために、以下の説明において具体的な詳細が示される。しかし、実施形態はそれらの具体的な詳細なしに実施されてもよいということが当業者によって理解される。例えば、回路、システム、ネットワーク、プロセス、フレーム、サポート、コネクタ、モータ、プロセッサ、及びその他の構成要素は、不必要な詳細において実施形態を曖昧にすることのないように、示されていないか又はブロック図の形態で示されている場合がある。
【００１２】
本明細書中で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書中で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明確に別様に指示されない限り、複数形も含むことが意図される。さらに、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書中で使用される場合、記載された特徴、整数、工程、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を示すが、１又は複数の他の特徴、整数、工程、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の、存在又は追加を除外するものではないということが理解されるであろう。
【００１３】
ある要素が別の要素に「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「連結されている（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、又は「取り付けられている（ａｔｔａｃｈｅｄ）」ものとして言及された場合、前記ある要素は他の要素に直接的に接続されているか、連結されているか、若しくは取り付けられている可能性があり、又は、介在する要素若しくは中間要素が存在し得るならば、前記ある要素は他の要素に間接的に接続されているか、連結されているか、若しくは取り付けられている可能性がある、ということが理解されるであろう。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「直接連結されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）」、又は「直接取り付けられている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ａｔｔａｃｈｅｄ）」ものとして言及された場合、介在する要素は存在しない。要素間の直接的な接続、連結、又は取り付けを示す図面は、前記要素が互いに間接的に接続された、連結された、又は取り付けられた実施形態も含む。
【００１４】
様々な要素を説明するために第１、第２などの用語が本明細書中で使用される場合があるが、前記要素はこれらの用語によって限定されるべきではないということが理解されるであろう。これらの用語は１つの要素を別の要素から区別するためにのみ使用される。したがって、本開示の教示から逸脱することなく、第１の要素は第２の要素と称され得る。
【００１５】
特に定義しない限り、本明細書中で使用される全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本開示に関連する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用される辞書において定義されているものなどの用語は、関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書中で明示的に定義されない限り、理想的な又は過度に形式的な意味で解釈されるものではない、ということが理解されるであろう。
【００１６】
本開示の実施形態はまた、フローチャート図及びブロック図を使用して説明される場合がある。フローチャートは動作を逐次プロセスとして説明し得るが、動作のうちの多くは並列に又は同時に実行されてもよい。加えて、動作の順序は並べ替えられてもよい。プロセスはその動作が完了した場合に終了するが、図に含まれていないか又は本明細書中に記載されていない追加の工程を有する可能性がある。
【００１７】
本開示の実施形態は、プロセストランスミッタの応答時間を向上させるためにプロセストランスミッタパラメータ測定値を補償することに関する。これは一般に、測定されるプロセスのパラメータの関数である、プロセスセンサによって生成されるプロセス信号を、プロセスセンサをプロセスから分離する隔離ユニットの応答時間について補償することによって達成される。プロセストランスミッタの応答時間の向上により、プロセスの効率が向上され得ると共に、高速のプロセスパラメータ測定が必要とされるプロセスにおいて前記プロセストランスミッタを使用することが可能になる。
【００１８】
図１は、プロセス１０２と相互作用している、本開示の１又は複数の実施形態に従って形成されたプロセストランスミッタ１００の簡略化されたブロック図である。いくつかの実施形態では、プロセス１０２は、より価値の低い材料を、石油、化学薬品、紙、食料などのより価値が高く有用な製品に変換するためにパイプ及びタンクを通って移動している流体などの材料を含む工業プロセスを含む。例えば、石油精製所では、原油をガソリン、燃料油、及びその他の石油化学製品に処理することが可能な工業プロセスが実行される。工業プロセス制御システムは、圧力、流量、温度、レベル、及びその他のパラメータなどのプロセスパラメータを感知及び測定するための測定機器としての、プロセストランスミッタなどのプロセス装置を、材料の処理の間にそれらの材料の流量を制御するための例えばバルブ、ポンプ、及びモータなどの制御装置と組み合わせて使用する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、プロセストランスミッタ１００は、隔離ユニット１０４と、プロセスセンサ１０６と、補償回路１０８と、出力回路１１０とを含む。隔離ユニット１０４は、プロセス１０２と接触し、且つプロセスセンサ１０６をプロセス１０２から隔離するように構成される。隔離ユニット１０４は、流体又はその他の好適な媒体などの、好適な媒体１１１を介した測定のために、プロセス１０２のパラメータをプロセスセンサ１０６に伝達するように機能する。プロセスセンサ１０６は、隔離ユニット１０４の媒体１１１を介して伝達された、プロセス１０２の測定されるパラメータの関数である、プロセス信号１１２を生成するように構成される。
【００２０】
隔離ユニット１０４は、プロセスパラメータをプロセスセンサ１０６に即座には伝達しない。むしろ、隔離ユニット１０４によって、プロセスパラメータの伝達及び測定における遅延が引き起こされる。この遅延は、隔離ユニット１０４の応答時間に関連している。いくつかの実施形態では、隔離ユニット１０４の応答時間は、媒体１１１の温度、圧力、隔離ユニット１０４の構造（例えばダイヤフラム）、隔離ユニットを形成する材料、及び／又はその他の変数などの、１又は複数の変数に依存する。
【００２１】
センサ１０６を使用したプロセス変数の伝達及び測定における遅延の影響としては、監視されるプロセスパラメータの測定帯域幅に対する制限が含まれる。具体的には、前記遅延は、前記遅延の増加又は応答時間の低下に応じて遮断周波数が降下する低域通過フィルタとして働く。結果として、前記遮断周波数より上で発生しているプロセス変数の変化をプロセスセンサ１０６によって検出することは不可能となる。本開示の実施形態は、応答時間を低減することによって遅延を低減するか又はなくし、それにより遮断周波数を低下させ、潜在的に価値のある情報の損失を減少させるように機能する。
【００２２】
補償回路１０８は、隔離ユニット１０４の応答時間についてプロセス信号１１２を補償し、補償されたプロセス信号１１４であってその信号においては前記応答時間に対応する遅延が低減された、補償されたプロセス信号１１４を出力するように構成される。出力回路１１０は、補償されたプロセス信号１１４の関数としてトランスミッタ出力１１６を生成するように構成される。いくつかの実施形態では、補償回路１０８は、上述のものなどの１又は複数の変数に依存する隔離ユニット１０４の応答時間について、プロセス信号１１２を補償するように構成される。
【００２３】
補償回路１０８はアナログ回路及び／又はデジタル回路を含んでもよい。いくつかの実施形態では、補償回路１０８は、補償回路１０８のメモリ内に局所的に記憶されていてもよい命令又はトランスミッタ１００の遠隔にあるメモリ内に記憶されていてもよい命令を実行して、本明細書中に記載された１又は複数の機能を実行するように構成された、１又は複数のプロセッサを表す。
【００２４】
いくつかの実施形態では、隔離ユニット１０４の応答時間は、媒体１１１であってそれを介してプロセスパラメータがプロセスセンサ１０６に伝達される媒体１１１の温度に依存する。いくつかの実施形態では、プロセストランスミッタ１００は、温度信号１１８を有する温度センサ１１７を含み、前記温度信号１１８は、隔離ユニット１０４の媒体１１１の温度を示すものであり、隔離ユニット１０４の応答時間についてのプロセス信号１１２の補償を実行するために補償回路１０８によって使用される。
【００２５】
いくつかの実施形態では、隔離ユニット１０４の応答時間は、隔離ユニット１０４が使用中に受ける動作圧に依存する。いくつかの実施形態では、補償回路１０８は、前記動作圧を使用して、隔離ユニット１０４の応答時間についてプロセス信号１１２を補償する。いくつかの実施形態では、前記動作圧は、隔離ユニット１０４の動作条件が既知である場合などに、固定変数として補償回路１０８に入力される。いくつかの実施形態では、隔離ユニット１０４の動作圧を判定し、前記動作圧を示す圧力信号を補償回路１０８に提供するために、ライン圧センサ又は差圧センサなどの圧力センサが使用されてもよい。いくつかの実施形態では、プロセスセンサ１０６又は別のセンサが、隔離ユニット１０４の動作圧を補償回路１０８に提供する圧力センサとして機能する。
【００２６】
いくつかの実施形態では、トランスミッタ１００は、信号１１２、１１４、及び１１６がアナログ信号であるアナログ装置である。いくつかの実施形態では、補償回路１０８は、プロセス信号１１２をデジタル領域において処理するように構成されたマイクロプロセッサを含む。いくつかの実施形態では、プロセストランスミッタ１００は、補償回路１０８による処理のためにアナログプロセス信号１１２をデジタルプロセス信号１１２’にデジタル化するアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１１９を含む。いくつかの実施形態では、補償されたプロセス信号１１４はデジタル信号におけるものであり、プロセストランスミッタ１００は、補償されたプロセス信号１１４を、出力回路１１０によって受け取られるアナログの補償されたプロセス信号１１４’に変換するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１２０を含む。
【００２７】
いくつかの実施形態では、出力回路１１０は、トランスミッタ出力１１６を使用してプロセス１０２の状態を制御する好適なコントローラにトランスミッタ出力１１６を送信するように構成される。いくつかの実施形態では、出力回路１１０は、遠隔制御室内などの、プロセストランスミッタ１００から遠隔にあるコントローラにトランスミッタ出力１１６を送信する。
【００２８】
いくつかの実施形態では、図２に示すプロセス測定システム１２４において示されているように、出力回路１１０は２線ループ１２１を介してコントローラ１２２に接続される。いくつかの実施形態では、２線ループ１２１は、プロセストランスミッタ１００に全電力を送信するように構成される。いくつかの実施形態では、出力回路１１０は、４ミリアンペア〜２０ミリアンペアで変化する電流フローを変調することによって、２線ループを介してコントローラ１２２にトランスミッタ出力１１６を伝達する。あるいは、出力回路１１０は、ポイントツーポイント構成、メッシュネットワーク、又はその他の好適な構成において、プロセストランスミッタ１００がそれ自体の電力源を有して、無線でトランスミッタ出力１１６をコントローラ１２２に送信するように構成されてもよい。
【００２９】
いくつかの実施形態では、プロセストランスミッタ１００は圧力トランスミッタの形態であり、その例示的実施形態が図２及び図３に示されている。図３は、本開示の実施形態による、例示的隔離ユニット１０４の断面図を有する例示的圧力トランスミッタ１００の簡略化された側面図である。いくつかの実施形態では、測定されるプロセス１０２は、パイプ１３０内に含まれる流体又はその他の材料の圧力の形態であり、図２に示すように、パイプ１３０にはプロセストランスミッタ１００が取り付けられている。
【００３０】
いくつかの実施形態では、トランスミッタ１００はハウジング１３１を含み、ハウジング１３１は、例えば、図３に示すように補償回路１０８と出力回路１１０とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、隔離ユニット１０４は、ハウジング１３１に取り付けられていてもよいハウジング１３２を含む。いくつかの実施形態では、ハウジング１３２は、好適な接続を介して、例えばインパルスライン１３６（図２）などを介してプロセス１０２に接続された１又は複数のポート１３４（図３）を含む。プロセス１０２の圧力はポート１３４のそれぞれにおいて受け取られる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、隔離ユニット１０４は、１又は複数の充填管又は隔離管１３８をハウジング１３２内に含む。いくつかの実施形態では、ハウジング１３２は、充填管１３８の端１４２をシールして感知要素１４６をプロセス１０２から隔離する可撓性ダイヤフラム１４０を、充填管１３８のそれぞれについて含む。いくつかの実施形態では、充填管１３８のそれぞれは油圧充填流体などの流体を用いて充填される。
【００３２】
例示的圧力トランスミッタ１００では、プロセスセンサ１０６は、感知要素１４６と電子回路１４８とを含む圧力センサである。感知要素１４６は、１又は複数の充填管１３８の端１５０に位置付けられている。各ダイヤフラム１４０は、対応するポート１３４を介して受け取られたプロセス１０２の圧力に応じて撓み、充填管内の充填流体に前記圧力を印加して感知要素１４６に前記圧力を伝達する。感知要素１４６は、前記圧力を感知し、電子回路１４８を使用して前記圧力の関数としてのプロセス信号１１２を生成する。
【００３３】
感知要素１４６は、ライン圧又は差圧を検出するための任意の好適な感知要素であってもよい。プロセス信号又は圧力信号１１２は、電気容量における変化、電気抵抗における変化、共振周波数における変化に基づいて電子回路によって生成されてもよく、又は別の好適な技術を使用して生成されてもよい。
【００３４】
図３に示すように、圧力トランスミッタ１００が差圧トランスミッタの形態である場合、圧力感知要素１４６は、一対の圧力感知要素を含んでもよい差圧感知要素の形態であり、図３に示すように、別個の充填管１３８を介してプロセス１０２から２つの圧力を受け取る。圧力センサ１０６の電子回路１４８は、従来技術に従って、２つの圧力の間の差に応じてプロセス信号１１２を生成する。
【００３５】
上述のように、プロセス信号１１２は補償回路１０８に伝達され、補償回路１０８は、隔離ユニット１０４の応答時間についてプロセス信号１１２を補償して、補償されたプロセス信号１１４を生成する。以下の例は、充填管１３８内の流体媒体１１１を利用してプロセス圧力をプロセスセンサ１０６に伝達する圧力トランスミッタ１００に該当する。
【００３６】
理想的なシステムについて、隔離ユニット１０４の管１３８内の流体媒体１１１の効果は、次のように、時間領域における一次線形時間不変システムとしてモデル化できるということが示され得る。
【００３７】
【数１】
2019529913.tif 000003
上式で、Ｐｉｎ（ｔ）はプロセス１０２の圧力（圧力入力信号）であり、Ｐｓ（ｔ）はセンサ１０６における圧力である。τは次のようにモデル化され得る。
【００３８】
【数２】
2019529913.tif 000004
上式で、Ｒは、管１３８内などの隔離ユニット１０４内での油圧流に対するインピーダンスの合計を表し、Ｓは、図３に示す隔離ダイヤフラム１４０及び感知要素１４６の剛性の合計を表す。
【００３９】
周波数領域において式１は次のようになる。
【００４０】
【数３】
2019529913.tif 000005
上式で、ｓは複素変数ｊωである。項１／（１＋ｓτ）はしたがって、圧力入力信号に対する流体媒体１１１の伝達関数である。
【００４１】
したがって、元の信号Ｐｉｎ（ｓ）は、油圧伝達関数の逆数１＋ｓτをＰｓ（ｓ）に適用することによって回復され得る。
【００４２】
【数４】
2019529913.tif 000006
上式で、ＰＨＣ（ｓ）は補償された圧力信号１１４を表す。この結果は、油圧の一次効果（ｔｈｅ  ｆｉｒｓｔ  ｏｒｄｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ）が、流体媒体１１１の時定数τの知識を用いて完全に補償され得ることを示している。
【００４３】
式２に示すように、変数τに影響を及ぼす２つの主な因子、すなわち、隔離ダイヤフラム１４０及び感知要素１４６の剛性の合計Ｓ、及び油圧流に対するインピーダンスの合計Ｒが存在する。ダイヤフラム１４０及び感知要素１４６の剛性は概ね、測定される圧力の絶対値の大きさの関数であり、設計によって確定される。より大きな圧力では、より大きな剛性値がダイヤフラム１４０及び感知要素１４６のために利用され、したがってより小さな時定数が呈される。図４は、２つの異なる隔離された圧力センサ１０６のステップ応答に対する剛性変化の影響を示すチャートである。両方のセンサ１０６で、Ｒについての同一の値が仮定されている。
【００４４】
剛性は、隔離ユニット１０４及び圧力センサ１０６の設計に特徴的なものであり、一般に、様々な環境条件の下で大幅に変化することはない。したがって、いくつかの実施形態では、補償回路１０８は、システム１２４のための式２内のＳについて、設計又は試験を介して識別され得る一定値を使用する。
【００４５】
式３内の第２の因子Ｒは、油圧インピーダンスの合計である。この項もまた、概ね設計の関数であり、流体経路の断面積、表面の粗さなどの因子から導かれる。様々な形態の油圧インピーダンスは次の一般的な形態を取る。
【００４６】
【数５】
2019529913.tif 000007
上式で、ｋｉはｉ番目のインピーダンス因子に関連する定数を表し、ｎは抵抗項の数であり、ｖは流体媒体１１１の動粘性率を表す。式５から、油圧インピーダンスの合計は実際には流体の動粘性率と線形の関係にあることがわかる。したがって、ｋｉ項は環境条件にわたってほとんど一定であるが、流体媒体１１１の粘性率は、温度にわたって大きく異なり得るため、Ｒの決定において重要な役割を果たす。
【００４７】
図５は、図４のチャートにおけるより小さな圧力センサの応答を生成するために使用された同じ圧力センサ１０６のステップ応答に影響を及ぼすことにおいて温度が果たす役割を示すチャートである。
【００４８】
この挙動は温度に対する粘性率の前述の感度にさかのぼり得る。ほとんどの流体についての粘性率は、温度とはかなり非線形の関係にあり、対数関係を呈する。低温環境中の流体粘性率は、室温における流体粘性率より５倍〜２０倍（又はそれ以上）大きい場合がある（流体タイプに依存）。図６は、５ｃＳｔオイルの形態の例示的流体媒体１１１の粘性率における、温度にわたる変化を示すチャートである。したがって圧力トランスミッタ１００の実施形態は、媒体１１１の温度を補償回路１０８に提供する温度センサ１１７を含み、補償回路１０８は媒体１１１の温度を使用して、媒体１１１の油圧効果を前記温度に基づいて正確に補償する。温度信号１１８はまた、その他の理想的でないセンサ関連温度効果を補償するためにも使用されてもよい。
【００４９】
（流体粘性率に比較して）剛性及びＫｉ成分に対する温度効果が無視できると仮定すると、式２は次のように書き換えることができる。
【００５０】
【数６】
2019529913.tif 000008
式４からの油圧補償伝達関数１＋ｓτは、この場合、次のように書き換えることができる。
【００５１】
【数７】
2019529913.tif 000009
したがって、図７のブロック図に示すように、圧力センサ１０６によって検出されるプロセス１０２におけるプロセス圧力パラメータの伝達（すなわち、プロセス信号１１２）は、隔離ユニット１０４の時定数によって影響を及ぼされており、前記時定数は、流体媒体１１１の温度及び粘性率によって、並びに場合によっては例えばダイヤフラム１４０及び感知要素１４６の剛性によって設定されるものである。補償回路１０８は、温度信号１１８を使用してプロセス信号１１２を補償して、媒体１１１の温度に基づく効果などの、隔離ユニット１０４の時定数の効果を低減した、補償されたプロセス信号１１４を生成するように機能する。
【００５２】
式７における伝達関数の適用は、センサ圧力信号１１２、Ｐｓ（ｓ）が得られた後の任意の場所で適用されてもよい。プロセストランスミッタ１００がアナログ領域において動作する場合、補償回路１０８は、信号１１２に対して所望の補償を提供して、補償されたプロセス信号１１４を生成するために、適切なアナログ高域通過フィルタを含んでもよい。いくつかの実施形態では、流体媒体１１１の温度が温度センサ１１７を使用して得られ、流体媒体１１１の粘性率ｖ（Ｔ）を確定するために使用され、粘性率ｖ（Ｔ）はその後、妥当なレベルの補償を提供するために前記アナログフィルタに供給される。
【００５３】
好ましくは、補償回路１０８はデジタル領域において動作し、ＡＤＣ１１９を使用してセンサ１０６からの圧力信号１１２をデジタル形態に変換し、その後、必要な補償を実行して、補償された信号１１４を生成する。加えて、温度信号１１８及びその他の補償項は、好ましくは、補償回路１０８による処理のためにデジタル形態に変換される。この方法の例を以下に示す。
【００５４】
隔離ユニット１０４及びセンサ１０６サブシステムが設計されたら、その構成は変化しない。したがって、前記サブシステムを構成する剛性、油圧経路などが根本的な物理的変化も受けることは一切ない。この例では、圧力によるいくらかの物理的影響は存在し得るが、それらの影響は、流体媒体１１１の粘性率に対する温度の影響に比べたら取るに足らないとみなされる。したがって、式７における項Ｋは、特定のセンササブシステム設計によって規定されるパラメータとなる。前記伝達関数はこの場合、次のように定義され得る。
【００５５】
【数８】
2019529913.tif 000010
これは式７の時定数τを表す。
【００５６】
補償回路１０８は、流体媒体１１１の温度を示す温度信号１１８を受け取り、流体媒体１１１の粘性率を前記温度にフィッティングすることによって、例えば、図７における曲線についてフィッティングを実行することなどによって、前記温度を使用してｆＨＣ（Ｔ）を決定する。これは任意の標準的な曲線フィッティングプロセス（ルックアップテーブル、多項式フィッティングなど）を介して行われてもよい。このフィッティングは、フィッティング結果が実際には前記油圧補償伝達関数のための所望のτとなるように、定数Ｋを組み込んでいてもよい。精度の必要性に応じて、いくつかの実施形態では、曲線フィッティング係数がセンササブシステムの特定のファミリーを表す「ファミリー」曲線フィッティングが、この関数のために採用されてもよい。最高の補償精度が所望される場合、τ対Ｔの特徴付けは、各個別のセンササブシステムについて行われてもよい。
【００５７】
式７の高域通過フィルタは油圧ダンピングを補償するが、いくつかの実施形態では、この高域通過利得は、測定値内への高周波ノイズのエイリアシングを回避するために、ＡＤＣ１１９によって実行されるデジタルサンプリングのナイキストレート未満に制限される。これは、低域通過フィルタであってその遮断周波数がＡＤＣ１１９のサンプリング周波数の半分未満におけるものである低域通過フィルタの適用を必要とする。
【００５８】
【数９】
2019529913.tif 000011
上式で、ｆｓは、ＡＤＣ１１９によるプロセス信号１１２のサンプリングレートである。この低域通過フィルタを前記油圧補償伝達関数と組み合わせることによって、最終的に適用される補償伝達関数が得られる。
【００５９】
【数１０】
2019529913.tif 000012
ナイキスト基準を満たすようにπ以下であるという制限を有する変数ｇを式１０内に代入した。
【００６０】
式７の伝達関数は、次に、十分に発達したＺ変換法を使用して、補償回路１０８のマイクロプロセッサ内への実装に好適な微分方程式に変換される。その結果は、無限インパルス応答フィルタである。
【００６１】
【数１１】
2019529913.tif 000013
上式で、
【数１２】
2019529913.tif 000014
は、補償されたプロセス信号１１４のｎ番目のサンプルを表し、
【数１３】
2019529913.tif 000015
は、センサ１０６におけるプロセス信号１１２のｎ番目のサンプルを表す。式１１において、ｇ＝２を選択すると、最後の項がなくなると同時にナイキスト要件が満たされ、この操作により前記フィルタは、保証された安定な有限インパルス応答フィルタに変わる。
【００６２】
【数１４】
2019529913.tif 000016
いくつかの実施形態は、プロセストランスミッタ出力１１６を生成する方法に関する。前記方法のいくつかの実施形態では、隔離ユニット１０４の媒体１１１を介して伝達されたプロセスパラメータ（例えば、圧力、温度、湿度など）に応じて、プロセスセンサ１０６によってプロセス信号１１２が生成される。プロセス信号１１２は、補償回路１０８を使用して、隔離ユニット１０４の応答時間について補償され、補償されたプロセス信号１１４が生成される。プロセストランスミッタ出力１１６は、出力回路１１０を使用して、補償されたプロセス信号１１４の関数として生成される。いくつかの実施形態では、補償回路１０８は、式１２などの、上述の式のうちの１又は複数を使用して、隔離ユニット１０４の応答時間についてプロセス信号１１２を補償する。
【００６３】
前記方法のいくつかの実施形態では、温度センサ１１７を使用して、媒体１１１の温度の関数として温度信号１１８が生成される。プロセス信号１１２は、温度信号１１８を使用して、隔離ユニット１０４の応答時間について補償される。
【００６４】
前記方法のいくつかの実施形態では、図３に示すように、隔離ユニット１０４は、ハウジング１３２と、充填管１３８と、充填管１３８の端１４２をシールするダイヤフラムとを含む。いくつかの実施形態では、媒体１１１は、充填管１３８内の流体を含む。いくつかの実施形態では、プロセスセンサ１０６は、前記充填管の端１５０における圧力センサ又は感知要素１４６を含む。いくつかの実施形態では、プロセス信号１１２は、充填管１３８内の流体媒体１１１を介して圧力センサ１０６又は感知要素１４６に伝達された圧力の関数として生成される。
【００６５】
以下は、本開示の実施形態に従って実行される例示的な補償である。第１の例では、圧力センサ１０６のステップ応答は、５０ｍｓの時定数を有する隔離ユニット１０４によってプロセス１０２から油圧的に隔離されたものである。また、センサ１０６によって生成されたプロセス信号又は圧力信号１１２は、ＡＤＣ１１９（図１）によって１００Ｈｚにおいてデジタル的にサンプリングされる。図８は、センサ１０６における圧力（すなわち、プロセス信号１１２によって示される圧力）、及びプロセス信号１１２への式１２の適用を介して補償回路１０８によって決定される、補償された圧力（すなわち、補償されたプロセス信号１１４によって示される圧力）を示すチャートである。
【００６６】
図８は、サンプリングされたプロセス信号１１２及び補償されたプロセス信号１１４の、最初のいくつかのデータ点を示す挿入チャートも含む。図示されているように、補償された信号１１４の最初のいくつかのデータ点は、サンプリング周波数に起因して、プロセス１０２における入力圧力と正確には同期していない場合がある。この例では、遅延は約７ｍｓであり、サンプリングレートに起因するデッドタイムと関連している。しかし、補償されたプロセス信号１１４の第２のサンプルは、プロセス１０２における入力圧力と実質的に同期している。サンプリング周波数を増加することによって、サンプリングに関連するデッドタイムを低減し、プロセス１０２における入力圧力との同期をさらに向上させることが可能である。
【００６７】
第２の例では、第１の例のシステムが使用されているが、隔離ユニット１０４の油圧時定数は温度変化に起因して１桁増加し５００ｍｓとなっている。補償の結果は、図９において、補償された信号１１４の最初のいくつかのサンプリングされたデータ点を示す挿入チャートと共に示されている。図８と図９との間の比較により、補償された信号１１４は、プロセス１０２における入力圧力を実質的に再現するものであること、及び隔離ユニット１０４の油圧時定数について（例えば１、３、又は１０データ点以内に）実質的に補償されたものであることが明確に示される。
【００６８】
本発明について好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細における変更が行われてもよいということを認識するであろう。隔離ユニットの媒体を介した圧力の形態でのプロセスパラメータの伝達に関する隔離ユニット時定数補償の特定の例について説明したが、本開示の実施形態は、隔離ユニットの媒体を介してプロセス測定センサに伝達されるその他のタイプのプロセスパラメータについての隔離ユニット時定数補償にも関するということが理解される。加えて、プロセストランスミッタの例示的実施形態では、プロセスパラメータを伝達するために隔離ユニットの流体媒体を利用するが、プロセスパラメータを伝達することが可能なその他のタイプの媒体も使用されてもよいということが理解される。
【図１】
2019529913.tif 000017
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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